王紅亮

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300000)

受限于地域性，膨脹土隧道施工仍面臨大量需要解決的問(wèn)題。本文針對(duì)西南地區(qū)鐵路大跨度隧道膨脹土條件下變形控制難題，對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，最終有效控制了膨脹土施工變形難題，實(shí)測(cè)效果良好。

1 工程地質(zhì)概況

雙石一號(hào)隧道位于重慶市永川區(qū)雙石鎮(zhèn)境內(nèi)。隧道進(jìn)口里程為DK229+360，出口里程為DK230+233，隧道全長(zhǎng)873m，為Ⅴ級(jí)圍巖。線(xiàn)路縱坡3‰，采用臺(tái)階法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度根據(jù)Ⅴ級(jí)圍巖設(shè)置，遇到特殊地層根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整施工參數(shù)。地層為主要為第四系全新統(tǒng)洪積砂質(zhì)黃土，滑坡堆積塊石土；上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土和細(xì)圓礫土；中更新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土，下伏第三系泥巖夾砂巖。隧道局部穿越膨脹土地段，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，該項(xiàng)目膨脹土自由膨脹率20%～60%，膨脹力5～40kPa，飽和吸水率12%～29%，為不易崩解的膨脹巖，脹縮性大，易風(fēng)化剝落，遇水易崩解，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響。

由于膨脹巖土體膨脹機(jī)理及工程特性的復(fù)雜性，導(dǎo)致目前膨脹性圍巖隧道的設(shè)計(jì)和施工還沒(méi)有成熟的原則和方法，其仍是隧道工程設(shè)計(jì)建設(shè)中的重大難題之一。

2 膨脹土施工重難點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)情況分析

2.1 施工難點(diǎn)分析

2.1.1 預(yù)留變形量確定困難

膨脹土隧道預(yù)留變形量困難是因?yàn)榕蛎涀冃晤A(yù)測(cè)困難，如預(yù)留變形量較小，容易出現(xiàn)初支受較大膨脹變形而出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象；但是預(yù)留變形量過(guò)大，施工時(shí)需要增加一定量的二襯混凝土，經(jīng)濟(jì)性較差。因此，膨脹土隧道的預(yù)留變形量需要綜合考慮，既要保證隧道初期支護(hù)施工后不因膨脹變形而出現(xiàn)開(kāi)裂、收斂過(guò)大，也要保證增加的二襯混凝土量在合理的范圍之內(nèi)。合理的預(yù)留變形量不僅是保證隧道變形后初期支護(hù)質(zhì)量、隧道二次襯砌厚度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的需要，也是保證在該特殊地層條件下不返工、進(jìn)度安全都滿(mǎn)足要求的需要，該項(xiàng)目根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)，暫定預(yù)留變形量為150mm。

2.1.2 支護(hù)參數(shù)選擇困難

盡管不可能從部分已知元素中恢復(fù)所有的低秩矩陣，但是可以期望恢復(fù)其中的絕大多數(shù)矩陣.要恢復(fù)一個(gè)低秩矩陣，可以先將其轉(zhuǎn)化為求解下面的矩陣秩最小化問(wèn)題：

目前，鐵路隧道常規(guī)設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)以下圍巖基本上都采用復(fù)合式襯砌，初支通常采用錨噴+鋼格柵或型鋼結(jié)構(gòu)，但是，由于膨脹土的復(fù)雜性、特殊性，在該種地質(zhì)條件下采用的參數(shù)需要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，所以，準(zhǔn)確確定其支護(hù)參數(shù)比較困難。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工情況分析

2.2.1 膨脹土段隧道變形情況

該隧道施工至DK133+750～DK133+780段時(shí)，遇到膨脹性圍巖，圍巖的實(shí)際膨脹性較勘察報(bào)告更大，導(dǎo)致初期支護(hù)出現(xiàn)大量的環(huán)向裂縫，鋼架結(jié)構(gòu)局部扭曲，變墻和拱腳處出現(xiàn)較為明顯的變形，局部開(kāi)裂處混凝土剝落掉塊，施工風(fēng)險(xiǎn)極高，給后續(xù)施工安全管理帶來(lái)較大困難。

為準(zhǔn)確掌握圍巖變形情況，對(duì)變形超限段進(jìn)行加密觀(guān)測(cè)，加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)5m設(shè)置一道。對(duì)膨脹土部分的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 加密監(jiān)測(cè)斷面變形量

從圖1可以看出，最大收斂變形量達(dá)280mm、最大沉降變形量達(dá)220mm，收斂變形量遠(yuǎn)大于拱頂沉降，且二者變形均遠(yuǎn)超預(yù)留變形量最大值150mm。因此，在后續(xù)施工中，合理預(yù)留變形量及如何有效控制較大的收斂和沉降變形是面臨的關(guān)鍵任務(wù)。

2.2.2 隧道變形原因初步分析

經(jīng)加密監(jiān)測(cè)，對(duì)取得的數(shù)據(jù)通過(guò)分析，初步認(rèn)為變形量超標(biāo)的原因主要有以下幾方面：

a.圍巖變形。由于實(shí)際施工中遇到的圍巖與地勘中的有一定差異，為進(jìn)一步了解該項(xiàng)目圍巖的膨脹性，對(duì)圍巖泥巖進(jìn)行有荷載膨脹率試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，圍巖膨脹力83.7kPa，自由膨脹率為71%，導(dǎo)致初支局部變形嚴(yán)重。

b.初支抑制圍巖變形的能力不足。隧道常規(guī)Ⅳ級(jí)圍巖設(shè)計(jì)采用格柵鋼架，間距1.2m，在遇到膨脹性巖層之前一直能夠正常施工作業(yè)，但是到膨脹性圍巖地層時(shí)，局部有水地段鋼格柵出現(xiàn)明顯的縱向扭曲、外側(cè)鋼筋嚴(yán)重外鼓凸出，封閉晚的鋼格柵接頭甚至因尺寸差異大，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確對(duì)接，進(jìn)一步導(dǎo)致初支不穩(wěn)定，變形不能有效控制。

隧道設(shè)計(jì)采用兩根φ22水泥砂漿錨桿與鋼架連接，單根長(zhǎng)度3.5m，單根抗拉力不小于150kN。現(xiàn)場(chǎng)檢查中發(fā)現(xiàn)在錨桿長(zhǎng)度、錨固質(zhì)量合格的前提下，大部分錨桿抗拉力仍然不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不能有效抑制水平收斂。

c.初期支護(hù)預(yù)留變形量不合理。施工時(shí)對(duì)膨脹性圍巖的特性認(rèn)識(shí)不足，在膨脹性斷面預(yù)留的變形量跟普通段一樣，均為150mm，為根據(jù)圍巖情況及監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，導(dǎo)致變形控制不能滿(mǎn)足要求。

3 膨脹土化學(xué)成分分析

膨脹土有其復(fù)雜的成因，其形成和演化過(guò)程很復(fù)雜，不同的母巖經(jīng)過(guò)各類(lèi)物理化學(xué)作用改造后被水流帶到不同的地方，然后遇到不同的地質(zhì)時(shí)代與沉積環(huán)境。導(dǎo)致膨脹土類(lèi)型很多，處理難度較大。但是考慮到膨脹土的主要礦物成分是類(lèi)似的，主要有高嶺石、蒙脫石和伊利石，只是其不同物質(zhì)的含量不同，才導(dǎo)致了膨脹土的特性各不相同。

為查明該工程膨脹土特性，為后期控制變形措施提供支撐參數(shù)，該項(xiàng)目利用X射線(xiàn)能譜(EDX)等手段對(duì)場(chǎng)地內(nèi)膨脹土的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，土樣中SiO2、Al2O3、Fe2O3的含量分別為61.12%、19.18%、9.76%，三者含量之和超過(guò)了90%。

4 膨脹土隧道方案優(yōu)化

對(duì)膨脹土的化學(xué)成分有了初步了解，加上對(duì)隧道圍巖變形原因進(jìn)行了初步分析，為后續(xù)施工方案的擬定提供了有效的參考資料。

4.1 方案擬定

考慮侵限是由膨脹土的膨脹變形、鋼架承載力、預(yù)留變形量的不足綜合引起的，經(jīng)過(guò)多方討論及設(shè)計(jì)單位變更設(shè)計(jì)，擬采用Ⅰ20型鋼鋼架代替格柵鋼架，隧道預(yù)留變形量調(diào)整為250mm。

型鋼代替原設(shè)計(jì)格柵具有如下優(yōu)點(diǎn)：型鋼較原設(shè)計(jì)格柵鋼架具有更強(qiáng)的剛度，能夠有效地抵抗膨脹土膨脹力，減少隧道變形；相對(duì)于格柵鋼架，型鋼鋼架加工更加方便，施工效率更高；鋼架受力與加工質(zhì)量有密切聯(lián)系，格柵鋼架加工質(zhì)量不易保證，整體受力效果不穩(wěn)定，相比之下型鋼鋼架加工簡(jiǎn)單，加工質(zhì)量較易保證，受力效果穩(wěn)定；采用型鋼如果能夠有效地控制隧道變形，隧道初支預(yù)留變形量保持在原設(shè)計(jì)較小的水平，能夠大量減少二襯混凝土超方量，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

綜合以上優(yōu)點(diǎn)，最終確定采用Ⅰ20型鋼鋼架代替格柵鋼架。

4.2 鋼架受力性能分析

確定隧道采用工字鋼替代原設(shè)計(jì)格柵鋼架后，為準(zhǔn)確掌握型鋼的受力性能，采用數(shù)值模擬軟件建立三維模型對(duì)鋼架和原設(shè)計(jì)鋼格柵進(jìn)行受力分析。

數(shù)值模擬主要取隧道上拱部120°范圍內(nèi)受力較大的部分進(jìn)行分析，模擬時(shí)的荷載按照鋼拱架實(shí)際受力施加，并考慮一定的膨脹力的作用。分別建立了采用原設(shè)計(jì)鋼格柵和優(yōu)化后的型鋼支護(hù)模型(見(jiàn)圖2、圖3)。

圖2 格柵拱架分網(wǎng)模型

圖3 工字鋼拱架分網(wǎng)模型

根據(jù)實(shí)際情況，模型施加荷載時(shí)考慮到隧道開(kāi)挖過(guò)程中受地質(zhì)情況、輪廓的平順情況及其他影響，模擬過(guò)程中考慮集中力和分布荷載兩種情況進(jìn)行分析(見(jiàn)圖4、圖5)，然后再進(jìn)行對(duì)比。

圖4 集中力載荷模型

圖5 壓力載荷模型

施加載荷大小相等，位置相同，集中力載荷分別為20000N、5000N、40000N；分布?jí)毫d荷分別為524525Pa、1049050Pa、5245257Pa(見(jiàn)圖6、圖7)。

圖6 型鋼分析結(jié)果

圖7 拱架分析結(jié)果

為方便數(shù)據(jù)分析，對(duì)格柵、型鋼在集中力和分布力作用下的變形量進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖8、圖9)。

圖8 集中力作用下格柵、型鋼變形對(duì)比

圖9 分布力作用下格柵、型鋼變形對(duì)比

4.3 優(yōu)化后現(xiàn)場(chǎng)施工

根據(jù)調(diào)整的250mm的預(yù)留變形量，對(duì)鋼架尺寸進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，確保鋼架與新的開(kāi)挖斷面相匹配。

原設(shè)計(jì)兩根φ22水泥砂漿錨桿不能有效控制圍巖變形，后續(xù)施工將鎖腳錨桿改為兩根φ42鋼花管注漿錨桿，單根長(zhǎng)度4.5m，透漿孔直徑6mm，孔間距15cm，以有效增強(qiáng)初支水平抵抗力。

鋼花管與水平成15°～30°布設(shè)，焊接注漿嘴，壓力注漿，注漿完畢后采用φ22螺紋鋼筋將鋼花管安裝完畢后與鋼架可靠連接，施工后檢查，鋼花管注漿錨桿抗拉力均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)化后的施工監(jiān)控量測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，拱腳及墻腳位置收斂值明顯好與前段施工，效果明顯，較好地控制了收斂變形，達(dá)到了預(yù)期效果。初期支護(hù)變形檢測(cè)見(jiàn)圖10。

圖10 優(yōu)化后初期支護(hù)變形統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

膨脹土隧道變形控制一直較為困難，但是控制不好很容易使隧道出現(xiàn)超大變形甚至塌方冒頂，本文對(duì)原設(shè)計(jì)施工情況下隧道膨脹土段大變形進(jìn)行分析，然后以鋼格柵替代鋼拱架、增大預(yù)留變形量進(jìn)行后期施工取得了良好效果，得到了如下結(jié)論：膨脹土地段隧道變形過(guò)大是膨脹變形、隧道合理預(yù)留變形量及初支承載力不足多重因素作用下的綜合結(jié)果；采用鋼拱架替代鋼格柵可以有效控制隧道拱頂變形和洞周收斂，變形量平均減少了35%；預(yù)留合理變形量和加強(qiáng)鎖腳錨桿對(duì)膨脹土地段隧道變形量控制至關(guān)重要，在該地質(zhì)情況下，預(yù)留25mm變形量既能保證隧道變形侵限，又能減少二襯超方量，綜合經(jīng)濟(jì)效益良好。